自動控制技術在不同工作模式下VMOS管能耗分析研究

張紅靜，韓高鵬

（貴州振華群英電器有限公司<國營第八九一廠> 貴州 貴陽 550018）

1 引言

隨著科學技術水平與現代化信息技術的快速發展進步，自動化控制技術也得到了不斷發展與創新，使得自動控制系統在人們日常生活及工業生產的各個領域取得了顯著進步。自動控制技術是指在無人員參與下，通過特定控制裝置來操作被控制對象或者過程自動按照預定的規律運行的技術。自動控制技術的應用也越來越廣泛，自動控制技術將自動控制設備與現代信息技術深度融合，實現了通過信息技術進行自動化控制，保證了工業生產各環節精準有序，提高了科技水平與生產力水平以及自動化智能化水平[1]。

從我國自動控制技術在各應用領域中發展的具體情況來看，存在著自動控制技術在研發過程中缺乏宏觀層面上的明確指導，在投入的實際生產中所獲得的經濟效益比較低的現象，在我國一些自主研制的工業自動化設備控制系統上也存在著精確度較差、可靠性較低、實用性較差等現象。

自動控制技術在工業生產現場的各種配電系統中發揮著非常重要作用，配電系統對各后級用電設備或系統的供電離不開各種功率開關執行器件，然而在通過自動控制技術對現場配電系統中的開關執行器件的精準接通與關斷操作的控制過程中，引起的開關執行器件的能耗分析極其重要，對開關執行器件在不同工作模式下的能耗分析研究，為了能夠采用自動控制技術更加精準地控制功率執行器件執行接通與斷開操作，提高配電設備的控制系統的控制精度，進而保障后級用電設備可靠、節能、安全的正常穩定運行。

在開關執行器件中，VMOS管和IGBT（以下統稱VMOS管）通常被作為一種大功率的高速開關使用。由于它們具有無機械接觸、開關速度高、控制功率需求小、連接可靠、壽命長等特點，已被廣泛地應用于電子設備和自動控制系統中[2]。

近年來，在工業生產配電系統中，廣泛使用SPS作為配電的控制器件。與周期通斷的開關器件不同，SPS中的VMOS開關器件工作在隨機通斷模式。它們不像工作在周期通斷模式下的開關那樣頻繁地通、斷。它們相鄰兩次通、斷的間隔通常都為數十毫秒、數秒乃至更長的時間，通、斷過程產生的能耗基本表現為“單次”，不容易發生積累。在此應用中，對開關器件的驅動不必像工作在周期通斷模式的開關器件那樣要求很高，因而容易被忽視。

通常使用的VMOS開關器件，其自身的輸出電流通、斷速度都很快，通、斷時間一般都在數十納秒至百納秒級。由于它們的輸出電流受柵極電壓控制，因而這些開關器件輸出電流的實際通、斷時間主要決定于柵極電壓的建立和跟隨時間。當這些器件是由有限驅動能力的驅動電路來控制其通、斷時，其輸出電流的實際通、斷時間將主要由驅動電路自身的速度和驅動能力來決定。因此，SPS電路設計中，用以控制開關器件通、斷的驅動電路的正確設計對于整個SPS的性能和質量將具有十分重要的意義。本文將探討自動控制技術在不同模式下VMOS管能耗分析研究，重點對隨機通斷模式VMOS開關器件的驅動對其自身能耗的影響做一些討論。

2 特性分析

VMOS管是一種電壓控制型器件，它的漏-源極電流（輸出電流）受加到柵-源極間的電壓控制。對于VMOS管的源、漏極而言，其柵極表現具有電容特性。當它處于穩定狀態時，其柵-源極間表現出極高的輸入阻抗，幾乎不從控制電路吸收電流。這一特性使得它的通、斷控制比較簡單。由于器件的柵極同源極、漏極之間表現為電容特性，加上其漏極電流與柵極電荷表現一定的“牽引”作用，為使器件的柵極電壓發生改變，需要改變貯存在柵極的電荷量，從而需由柵極的控制電路提供一定的輸入電流[3]。從此種意義上進行分析，VMOS器件實際上是一種電荷控制器件。這一特點使得該器件雖然在穩態時表現很高的輸入阻抗，仍然要求控制電路具有一定的驅動能力，為柵極電壓變化提供必需的電荷。

VMOS管的柵極電壓是貯存在柵極電荷量的函數。圖1為典型的VMOS管柵極電壓-柵極電荷關系曲線。該曲線分為3個折線段。

圖1 柵極電壓-柵極電荷關系曲線

OA段：為柵極分布電容充電段。隨著柵極分布電容貯存的電荷增加，柵極電壓基本呈直線增長。在柵極電壓增長到A點之前，VMOS管基本保持截止狀態，漏-源極電流為0。

AB段：漏極電流增長段。A點對應的電壓為漏極電流的開啟電壓，漏-源極間開始導通電流。這一段的特點是，隨著柵極電荷（此部分電荷稱作轉移電荷）的增加，柵極電壓基本保持不變，漏-源極電流隨電荷增加而增加，直至漏-源極完全導通。

BC段：柵極電壓增長段。到達B點后，漏-源極電流已增長到由電路電壓和所連接的負載確定的負載電流，漏極電壓下降到接近于源極電壓，漏極電流不再增長。此后，柵極電壓離開“開啟電壓”，隨柵極電荷增加而上升[4]。

3 能耗分析

3.1 工作模式

VMOS管作開關應用時，其自身產生的能耗和發熱主要來自4個方面：（1）開關截止時其漏電電流產生的能耗；（2）開關接通時其殘余電壓降產生的能耗；（3）開關接通過程中產生的能耗；（4）開關關斷過程中產生的能耗。

在大多數情況下，其中的第1項，即開關截止狀態時因漏電流很小，產生的功率幾乎可以被忽略。能耗發熱的第2、3、4項則是與開關的實際工作模式密切相關。

基于圖1所示的柵極電壓變化，當VMOS管由具有限負載能力的驅動電路驅動時，其漏-源電流將是柵極電壓在“開啟電壓”上保持，隨著柵極積累“轉移電荷”而逐漸增長的過程。該增長過程一直要持續到由電路電壓和負載電阻確定的負載電流，如圖2-A。與此同時，隨著漏極電流的增加，使更多的電源電壓降落在負載上，漏極電壓逐漸降低，直至接近源極電壓，進入飽和導通狀態，見圖2-B。

圖2 柵-漏極電流過程

VMOS管在截止時，其漏極電流很小；飽和導通時，其漏-源極電壓降比較小，兩種狀態下漏-源極的實際能耗（i×u）都不是很大。但在上述漏-源極電流開通后從0增長到飽和電流的過程中，漏極電流i逐漸上升、漏極電壓u逐漸下降，它們的（i×u）乘積項，即VMOS管的瞬時能耗將可能是一個不可忽視的數值。與上述漏-源極電流開通的過程相反，VMOS管的漏-源電流的關斷的過程則需要將存儲在柵極的電荷釋放，使其柵-源電壓按圖1中C-B-A-O的逆向過程變化。這一過程，漏極電流逐漸減小，漏極電壓的逐漸增大，其（i×u）乘積項，同樣是一個不可忽視的瞬時能耗。

3.2 能耗計算

在圖2所示的輸出電流開通過程中，設電路電壓為U，VMOS管輸出電流的開通時間為T，開通后的輸出電流為I。在輸出電流開通的過程中，漏-源極間電流的瞬時值i按斜率（I／T）線性增長：

同時，漏極電壓瞬時值u按斜率（U／T）線性下降：

器件內的瞬時能耗P為：

此能耗將以發熱的形式在器件內部產生能量積聚，使器件溫度升高。在整個輸出電流開通過程，產生的能量積聚E為：

上式表明，VMOS開關器件輸出電流轉換為開通狀態過程中，發生在器件內部的能量積聚，分別與輸出電流的開通時間和開通后的電路功率成正比。同樣地得到，VMOS開關器件輸出電流關斷過程中發生在器件內部的能量積聚，分別與關斷前的電路功率和輸出電流的關斷時間成正比。

4 結語

自動控制技術在工業生產領域應用廣泛，自動控制的應用能夠有效實現生產的自動化，減少人工成本，避免人為操作失誤，不斷提高工業自動化設備的控制精確度，才能夠提高設備可靠性、使用率和生產率，從而才能夠大大提升生產質量、生產安全以及生產效率。

本文分析了基于自動控制技術在工業配電系統中功率開關器件在不同工作模式下的能耗分析情況，如上所述，由于開關器件通、斷過程的能耗與其開通和關斷時間成比例，工作在周期通斷模式的VMOS開關器件，通常都要求盡可能地增強對器件的驅動能力，提高驅動速度，以降低通、斷過程的能耗。在這種應用中，通常都是在電路中使用變壓器來驅動VMOS開關器件的柵極。這是因為變壓器能使驅動電路輸出較大的驅動電流，提高驅動速度，達到減少開關通、斷過程的能耗的目的。通過筆者對配電系統中功率開關器件在不同工作模式下能耗情況分析闡述，可以為配電設備控制系統提高控制精度具有不可忽視的深刻意義，以期為配電系統中自動控制VMOS開關器件通斷研究提供有工程應用價值的參考依據，促進自動控制技術在配電系統中節能、安全、更好的發展與應用。